Тема 12. Происхождение и развитие жизни на Земле

Возникновение жизни. Процесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией. Она предшествовала биологической эволюции. Этапы химической эволюции были выделены А.И.Опариным в рамках белково-коацерватной теории зарождения жизни:

I этап - в результате химических реакций формирование из неорганических веществ простых органических веществ в условиях интенсивного солнечного излучения - аминокислот, простых углеводов, жирных кислот и т.д.

II этап - синтез белков - полипептидов, которые могли образоваться из аминокислот в водах первичного океана.

III этап - появление коацерватов (от лат. coacervus - сгусток, куча). Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов.

IV этап - возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков. Впоследствии экспериментально подтвердилась возможность синтеза и других органических веществ, в том числе и азотистых оснований.

Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли - коацерваты могли возникнуть в водах первичного океана, где находились разнообразные белки. Некоторые свойства коацерватов внешне сходны со свойствами живых организмов. Например, они "поглощают" из окружающей среды и избирательно накапливают определенные вещества, увеличиваются в размерах. Можно предположить, что внутри коацерватов вещества вступали в химические реакции.

Между коацерватами могли формироваться отношения конкуренции за вещества, растворенные в "бульоне". Коацерваты нельзя считать живыми организмами, так как у них отсутствовала способность к воспроизведению себе подобных. Белково-коацерватная теория Опарина не объясняет, как возникли живые организмы.

В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК (Мир РНК), т.е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Наследием этого древнего этапа "РНК-жизни" остался тот удивительный факт, что у всех живых организмов в системе синтеза белка РНК участвует не только как носитель информации, но выполняет также структурную и транспортную функции (рибосомальная и транспортная РНК). Только РНК способна выполнять и информационные, и структурные, и каталитические функции (в качестве рибозимов).

Эволюция биосферы. Первые организмы были анаэробами и получали энергию в ходе реакций бескислородного окисления, например брожения. Однако появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода. В результате возникло дыхание - кислородный, аэробный путь окисления, который примерно в 20 раз эффективнее гликолиза.

Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как сильное ультрафиолетовое излучение губительно влияло на организмы на суше. В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 млрд лет, были обнаружены структуры, которые считают останками цианобактерий – первых фотосинтезирующих микроорганизмов.

В течение последующих 1,5-2 млрд лет - на протяжении большей части криптозоя - происходила эволюция прокариот. Возникновение эукариот - следующий важнейший рубеж в докембрийской эволюции организмов после возникновения фотосинтеза (около 2 -2,5 млрд. лет назад).

Успехи развития цитологии и молекулярной биологии доказали структурное и биохимическое родство одно- и многоклеточных организмов. Это подтвердило гипотезу о происхождении многоклеточных животных от одноклеточных форм. Возникновение многоклеточности - важный ароморфоз в эволюции жизни. К концу кембрия появляются почти все известные типы многоклеточных животных.

Появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки для выхода живых организмов на сушу. Первые наземные растения появились около 420 млн. лет назад. Древнейшими растениями, имевшими в основном "наземный" облик, но населявшими, вероятно, пограничную зону между водой и сушей и влажные местообитания в низменных прибрежных районах, были псилофиты (Psilophyta, или Rhyniophyta) из группы риниевых (Rhyniales) - невысокие травянистые или кустарниковообразные растения, еще не имевшие настоящих корней и листьев. Вероятно, в самом раннем девоне или даже в позднем силуре от самых примитивных риниевых могли возникнуть мохообразные (Bryophyta), а от высших псилофитов произошли различные группы сосудистых растений. Представители этих групп растений, лучше приспособленных к жизни на суше, в позднем девоне повсеместно вытеснили псилофитов и сформировали первую настоящую наземную флору, включавшую и древовидные формы. По мере заселения суши растениями возникли предпосылки для освоения наземной среды обитания животными. Вероятно, первыми на суше появились какие-то мелкие беспозвоночные, питавшиеся органическими остатками в почве. Первые вполне достоверные остатки наземных организмов известны начиная с силура.

Основные особенности эволюции растительного мира: с образованием почвы произошел выход растений на поверхность суши с одновременным формированием новых приспособлений - корня, стебля, листьев, сосудистой проводящей системы, защитных и опорных тканей; возникновение не зависимого от капельно-водной среды полового процесса размножения; переход от наружного оплодотворения к внутреннему, появление двойного оплодотворения, обеспечение зародыша запасом питательных веществ; совершенствование органов размножения и перекрестного опыления у цветковых растений в сопряжении с эволюцией насекомых, развитие зародышевого мешка для защиты растительного эмбриона

Основные особенности эволюции животного мир: прогрессивное развитие многоклеточности и, как следствие, специализация тканей и всех систем органов; свободный образ жизни, который определил выработку различных механизмов поведения, а также относительную независимость онтогенеза от колебаний факторов окружающей среды; возникновение твердого скелета: наружного у некоторых беспозвоночных (членистоногие) и внутреннего у хордовых; прогрессивное развитие нервной системы, которое стало основой для возникновения условно-рефлекторной деятельности.

Финальная стадия эволюции – развитие группового адаптивного поведения, формирование разума как высшей формы деятельности, возникновение биосоциального существа – человека.